JP2011140882A - 圧縮着火式多種燃料エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮着火式多種燃料エンジンにおいて、軽負荷時に安定した燃焼を維持する。
【解決手段】ＣＮＧ用吸気ポート内のＣＮＧ噴射弁の上流側に吸気制御弁を有する構成において、負荷が所定値Ｌｔｈ以下の場合に、ＣＮＧの当量比φがシリンダ５内における軽油の供給点を含む所定領域内において燃焼維持基準値φｍｉｎよりも大きい値となるように、負荷が小さいほど吸気絞り弁２６の開度を小さくする。軽負荷の場合であっても安定した燃焼を維持できる。
【選択図】図２

Description

本発明は、圧縮着火用燃料とガス燃料とを用いる多種燃料エンジンに関する。

軽油などの圧縮着火用燃料と、圧縮天然ガス（ＣＮＧ）などの気体燃料とを用いる多種燃料エンジンが提案されている。天然ガスはセタン価がきわめて低く、着火性が悪いため、この種のエンジンでは圧縮着火用燃料としての軽油等を最小限だけ筒内にパイロット噴射して、それを火種にガス燃料に着火する（例えば特許文献１）。

特開２００３−２５４１０６号公報

しかし、この形式のエンジンにおいて、要求負荷に比例した量の気体燃料が供給されるように気体燃料の噴射量が制御されると、軽負荷時にシリンダ内に形成される気体燃料の予混合気の濃度（当量比）が、燃焼を維持できる最低の濃度よりも低くなる場合があり、安定した燃焼を維持できない。

そこで本発明の目的は、圧縮着火式多種燃料エンジンにおいて、軽負荷時に安定した燃焼を維持することにある。

本発明の一態様は、圧縮着火用燃料をシリンダ内に直接噴射する第１の燃料噴射弁と、気体燃料を混合気用吸気ポート内に噴射する第２の燃料噴射弁と、を備えた圧縮着火式多種燃料エンジンにおいて、前記混合気用吸気ポート内であって前記第２の燃料噴射弁の上流側に設けられた吸気絞り弁と、当該吸気絞り弁を制御するコントローラと、を更に備え、前記コントローラは、負荷が所定値以下の場合に、気体燃料の当量比がシリンダ内における圧縮着火用燃料の供給点を含む所定領域内において所定の燃焼維持基準値またはこれより大きい値となるように、負荷が小さいほど前記吸気絞り弁の開度を小さくすることを特徴とする。

この態様では、負荷が所定値以下の場合に、コントローラが、気体燃料の当量比がシリンダ内における圧縮着火用燃料の供給点を含む所定領域内において所定の燃焼維持基準値またはこれより大きい値となるように、負荷が小さいほど前記吸気絞り弁の開度を小さくする。したがって、軽負荷の場合であっても、安定した燃焼を維持することができる。

本発明の別の一態様は、前記シリンダ内に空気を供給する空気用吸気ポートを更に備え、前記混合気用吸気ポートはシリンダ内の圧縮着火用燃料の供給点を含む所定領域に混合気を供給し、供給された混合気と前記空気用吸気ポートから供給される空気とが成層化されることを特徴とする。

この態様では、混合気用吸気ポートから供給された混合気と空気用吸気ポートから供給される空気とが成層化されるので、シリンダ内の圧縮着火用燃料の供給点の近傍の混合気の濃度（当量比）を好適に維持することができる。

本発明における空気用吸気ポートは、シリンダの壁面に沿う方向の気流を生成するのが好適であり、混合気と空気との成層化を促進できる。

本発明の実施形態の圧縮着火式多種燃料エンジンの概略構成を示す図である。 シリンダ近傍の縦断面を示す正面図である。 吸気ポート及びシリンダを概略的に示す平面図である。 吸気ポート及びシリンダの別の構成例を示す平面図である。 負荷‐開度マップの設定例を概略的に示すグラフである。 吸気絞り弁制御ルーチンを示すフローチャートである。 シリンダ内におけるＣＮＧ当量比の分布を示すグラフである。

以下に、本発明の実施形態につき添付図面を参照しつつ説明する。

図１に、本発明の実施形態に係る圧縮着火式多種燃料エンジンを概略的に示す。本発明の実施形態に係る自動車用の圧縮着火式多種燃料エンジン１は、吸気ポート２に連通されている吸気マニフォルド３、排気ポートに連通されている排気マニフォルド４、シリンダ５、及び過給機６を有する。吸気マニフォルド３の上流側は、スロットルバルブ７及びインタークーラ８を介して過給機６のコンプレッサ９に接続され、更にエアクリーナ１０を介して外気に開放されている。排気マニフォルド４の下流側は、過給機６のタービン１１、触媒装置１２、及び不図示の消音器を介して外気に開放されている。触媒装置は、触媒物質を担持したパティキュレートフィルタを主部材として構成されており、捕集した微粒子を酸化、燃焼できるようになっている。なお、他の後処理装置として、排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒と、排気ガス中のＮＯｘを還元除去するＮＯｘ触媒が設けられるのが好ましい。

排気マニフォルド４の下流側と吸気マニフォルド３の上流側とを連通して、ＥＧＲ通路１３が設けられ、その中途にＥＧＲバルブ１４が設けられている。スロットルバルブ７はＥＧＲ制御時にその開度が絞られて、排気圧と吸気圧との差圧を拡大してＥＧＲを促進し、また主としてアイドル時や軽負荷時にその開度が絞られてエミッション及び騒音の改善を促進する。

エンジン１は、気体燃料供給系と液体燃料供給系とを具備しており、気体燃料としてＣＮＧを用い、液体燃料として軽油を用いている。気体燃料供給系は、各吸気ポートに噴射可能に配置されたＣＮＧ噴射弁１５を具備し、このＣＮＧ噴射弁１５は、ＣＮＧ供給ライン１６、高圧レギュレータ１７及び図示しない燃料遮断弁を介して、ＣＮＧボンベ１８に接続されている。

ＣＮＧボンベ１８内に、充填圧力ＰＦ（例えば、２０ＭＰa）で充填されているＣＮＧは、高圧レギュレータ１７により一定の調節圧ＰＨ（例えば、０．６ＭＰa）まで減圧され、通常のエンジン制御状態では、この調節圧ＰＨでもってＣＮＧ噴射弁１５から吸気ポート２内に噴射される。

液体燃料供給系は、各シリンダ５内のピストン２７頂部の燃焼室２７ａ（図２参照）に噴射可能に配置された軽油噴射弁２１を具備する。軽油噴射弁２１の噴孔は、シリンダ５の平面視における中心に配置されている。軽油タンク２４から高圧ポンプ２３に供給された燃料は、高圧ポンプ２３によりコモンレール２２に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール２２内の高圧燃料が軽油噴射弁２１からシリンダ５内に直接噴射供給される。

図３Ａに示されるように、吸気ポート２は、シリンダ５にＣＮＧ予混合気を供給するための混合気用吸気ポート２ａと、同じシリンダ５に空気を供給するための空気用吸気ポート２ｂとから構成されている。ポート２ａ，２ｂはいずれも周知のヘリカルポートとして構成されている。ポート２ａは、ＣＮＧ予混合気をシリンダ５の中央部分に向けて、図中白抜き矢印ａ方向に供給する。ポート２ｂは、空気を吸気行程でシリンダ５内に導くことにより、シリンダ５内に矢印ｂ方向に旋回するスワールを形成する。その結果、シリンダ５内のＣＮＧ混合気層と空気層とが成層化され、シリンダ５内の外周部に空気層が、またシリンダ５の中央部の近傍にＣＮＧ混合気層が、それぞれ形成されることになる。ポート２ａ，２ｂはシリンダ５内に開口する開口部２５ａ，２５ｂを含んでおり、開口部２５ａ，２５ｂは吸気バルブ２８（図２参照）によって開閉される。なお吸気ポート２は、図３Ｂに示されるように、ヘリカルポートである混合気用吸気ポート１０２ａと、ストレートポートである空気用吸気ポート１０２ｂの組み合わせであってもよく、このような組み合わせによってもシリンダ５内にスワールを形成できる。

それぞれの混合気用吸気ポート２ａには、ＣＮＧ噴射弁１５が設けられ、また同じく各ポート２ａ内であってＣＮＧ噴射弁１５の上流側には、吸気絞り弁２６が設けられている。吸気絞り弁２６は不図示の電磁アクチュエータを含み、ＥＣＵ３０により気筒ごとに互いに独立して制御される。吸気絞り弁２６はバタフライ弁であるが、他の形式でもよい。後述するように、吸気絞り弁２６の開度θが小さいほど、混合気用吸気ポート２ａから燃焼室内に供給されるＣＮＧ予混合気の濃度（当量比φ）が高くなる。

ＥＣＵ３０はデジタルコンピュータからなり、周知の如く、双方向性バスを介して相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）、常時電源に接続されているＢ−ＲＡＭ（バックアップＲＡＭ）、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、入力ポート及び出力ポートを具備している。

ＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ３１、及びいずれも不図示の水温センサ、クランク角センサ、タービン回転センサを含む各種センサから送られてくる信号に基づき、噴射弁１５，２１による燃料噴射制御、或いは噴射時期の制御等の各種制御を実行するようになっている。特にアクセル開度センサ３１は、エンジン負荷を検出するための負荷検出手段を形成し、ＥＣＵ３０はこれによるアクセル開度信号に基づきエンジン負荷を算出する。なお要求負荷は、エンジン１の運転状態を示す他のパラメータ（例えばエンジン回転数、ＥＧＲ量、過給圧、タービン回転数）によって算出または補正してもよい。各種センサ類の出力電圧は、それぞれ、対応するＡ／Ｄ変換器を介してＥＣＵ３０の入力ポートに入力される。また、ＥＣＵ３０は、コモンレール２２に接続される高圧ポンプ２３にも、出力ポート及びＤ／Ａ変換器を通じて制御信号を出力し、高圧ポンプ２３の流量制御弁を制御している。これによって、コモンレール２２内の燃料圧（噴射圧）は最適に制御される。

このエンジン１では、圧縮着火用燃料として軽油Ｌを最小限だけ（図２参照）筒内にパイロット噴射して、それを火種にＣＮＧ予混合気Ｇに着火させる。ＣＮＧの噴射量は、ＥＣＵ３０で別途に実行される燃料噴射制御により、概ね要求負荷に比例した量に決定される。

エンジン負荷と吸気絞り弁２６の開度θとを関連付けて記憶させてなる負荷‐開度マップ（図４参照）が予め作成され、ＥＣＵ３０のＲＯＭに格納されている。この負荷‐開度マップは、ＣＮＧの平均当量比φ（すなわち、混合気用吸気ポート２ａからシリンダに供給される予混合気におけるＣＮＧ濃度）が、軽負荷の場合であっても機関性能を維持する最低値である燃焼維持基準値φｍｉｎとなるように、吸気絞り弁２６の開度θの目標値を定めたものである。

本発明による改良前すなわち吸気絞り弁２６の制御を行わない場合には、通常の燃料噴射制御により、負荷（要求負荷）の減少に従ってＣＮＧ当量比φも減少するが（一点鎖線ｃ）、ＣＮＧ当量比φが燃焼維持基準値φｍｉｎを下回ると、安定した燃焼を維持できず、機関効率やＮＶ（振動騒音）が悪化してしまう。このため、負荷‐開度マップでは、本発明による改良前において当量比φが燃焼維持基準値φｍｉｎになるような負荷値Ｌｔｈよりも要求負荷が低い領域で、負荷が小さいほど吸気絞り弁２６の開度θが小さくなるように、負荷と開度θとの関係が設定されている。吸気絞り弁２６の開度θが小さい程、混合気用吸気ポート２ａを通る空気の量が減少するので、燃焼室２７ａ内に供給されるＣＮＧ予混合気の当量比φは大きくなる。その結果、負荷がＬｔｈよりも低い領域では、図４中に実線で示されるように、シリンダ５内における軽油の供給点（軽油噴射弁２１）を含む所定領域内において、ＣＮＧの平均当量比φは、燃焼維持基準値φｍｉｎに維持されることになる。

以上のとおり構成された本実施形態の動作について説明する。図５は、本実施形態のＥＣＵ３０において実行される吸気絞り弁制御ルーチンを示す。この制御ルーチンは、イグニッションスイッチがＯＮされ、且つスタータの作動によりクランキングが開始されたことを条件に、予め定められた設定クランク角毎の割込みによって実行される。まずＥＣＵ３０は、アクセル開度センサ３１の検出値に基づいて算出される要求負荷を読み込む（Ｓ１）。次に、読み込まれた負荷により、図４の負荷‐開度マップを参照し、これによって吸気絞り弁２６の目標開度θを算出する（Ｓ２）。そしてＥＣＵ３０は、算出された目標開度θと一致するように、吸気絞り弁２６に対し制御出力を行う（Ｓ３）。

以上の処理によって吸気絞り弁２６が制御される結果、ＣＮＧの平均当量比φ（すなわち、混合気用吸気ポート２ａからシリンダに供給される予混合気におけるＣＮＧ濃度）が、アイドリング時など軽負荷の場合であっても、機関性能を維持する最低値である燃焼維持基準値φｍｉｎとなる。その結果、シリンダ５内における軽油の供給点（軽油噴射弁２１）を含む所定領域内においては、ＣＮＧの当量比φは、軽負荷時であっても、機関性能を維持する最低値である燃焼維持基準値φｍｉｎよりも常に大きい値となる。すなわち、図６に示されるように、要求負荷が低くなりＣＮＧの噴射量が減少するに従い、シリンダ５内の当量比φの分布は、要求負荷が高いものから曲線α、β、γの順に変化するが、スワール流の形成に伴う成層化によってＣＮＧが燃焼室２７ａの中心に集められ、且つシリンダ５内に供給されるＣＮＧ予混合気の平均当量比φが燃焼維持基準値φｍｉｎに維持されるため、軽油の供給点である燃焼室２７ａの中心を含む所定範囲内では、当量比φは燃焼維持基準値φｍｉｎを常に上回ることになる。

以上のとおり、本実施形態では、負荷が所定値Ｌｔｈ以下の場合に、ＥＣＵ３０が、ＣＮＧの当量比φがシリンダ５内における軽油の供給点を含む所定領域内において燃焼維持基準値φｍｉｎよりも大きい値となるように、負荷が小さいほど吸気絞り弁２６の開度θを小さくする。したがって、軽負荷の場合であっても、安定した燃焼を維持でき、また機関効率やＮＶ（振動騒音）の悪化を抑制することができる。

また、本実施形態では、混合気用吸気ポート２ａから供給された混合気と空気用吸気ポート２ｂから供給される空気とが成層化されるので、シリンダ５内の軽油の供給点の近傍の混合気の濃度（当量比φ）を好適に維持することができる。

また本実施形態では、空気用吸気ポート２ｂが、シリンダ５の壁面に沿う方向の気流を生成するので、混合気と空気との成層化を促進できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、上記実施形態では、吸気ポート２が、混合気用吸気ポート２ａ，１０２ａと空気用吸気ポート２ｂ，１０２ｂとを有するが、本発明は混合気用吸気ポートのみを有する圧縮着火式多種燃料エンジンにも適用することができる。この場合には、燃焼室内におけるＣＮＧ予混合気と空気との成層化が行われないため、上記実施形態と同様の負荷‐開度マップを用いて、ＣＮＧの平均当量比φが燃焼維持基準値φｍｉｎとなるように吸気絞り弁２６を制御することにより、シリンダ５内における軽油の供給点の当量比φは燃焼維持基準値φｍｉｎに等しい値となる。また、圧縮着火用燃料と気体燃料の種類は、上記実施形態における組み合わせに限られない。

本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

１ 圧縮着火式多種燃料エンジン
２ 吸気ポート
２ａ，１０２ａ 混合気用吸気ポート
２ｂ，１０２ｂ 空気用吸気ポート
５ シリンダ
６ 過給機
７ スロットルバルブ
１３ ＥＧＲ通路
１５ ＣＮＧ噴射弁
１８ ＣＮＧボンベ
２１ 軽油噴射弁
２４ 軽油タンク
２５ａ，２５ｂ 開口部
２６ 吸気絞り弁
２７ａ 燃焼室
Ｇ ＣＮＧ予混合気
Ｌ 軽油

Claims (3)

1. 圧縮着火用燃料をシリンダ内に直接噴射する第１の燃料噴射弁と、気体燃料を混合気用吸気ポート内に噴射する第２の燃料噴射弁と、を備えた圧縮着火式多種燃料エンジンにおいて、
   前記混合気用吸気ポート内であって前記第２の燃料噴射弁の上流側に設けられた吸気絞り弁と、
   当該吸気絞り弁を制御するコントローラと、を更に備え、
   前記コントローラは、負荷が所定値以下の場合に、気体燃料の当量比がシリンダ内における圧縮着火用燃料の供給点を含む所定領域内において所定の燃焼維持基準値またはこれより大きい値となるように、負荷が小さいほど前記吸気絞り弁の開度を小さくすることを特徴とする圧縮着火式多種燃料エンジン。
2. 請求項１に記載の圧縮着火式多種燃料エンジンであって、
   前記シリンダ内に空気を供給する空気用吸気ポートを更に備え、
   前記混合気用吸気ポートはシリンダ内の圧縮着火用燃料の供給点を含む所定領域に混合気を供給し、供給された混合気と前記空気用吸気ポートから供給される空気とが成層化されることを特徴とする圧縮着火式多種燃料エンジン。
3. 請求項２に記載の圧縮着火式多種燃料エンジンであって、
   前記空気用吸気ポートは、シリンダの壁面に沿う方向の気流を生成できることを特徴とする圧縮着火式多種燃料エンジン。

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